ставительным статистическим данным. Некоторые другие, менее значительные эффекты также способствуют тому, что прибор имеет улучшенные характеристики.

Выпускают несколько разновидностей детекторов на твердом теле: на основе Si (Li) (называется силли ), Ge(Li) (<1жилли ) и чистого германия (или IG), отличающихся друг от друга материалом полупроводника и примесей, используемых для того, чтобы обеспечить изолирующие свойства. Все они работают при температуре жидкого азота

Пропорциональныи fe

- Mi К Ni

\J\J УУ\/\>-; 2 3 4 5 6 7

Энергия рентгеновс ога шучгтя j H3S

Рис. 14.18. Рейтгеновский спектр листа нержавеющей стали, полученный с помощью аргонового пропорционального счетчика и детектора на основе Si(Li),

(-19б°С), и все типы полупроводников с примесью лития нужно постоянно держать в холодном состоянии (повышенная температура влияет на детектор так же плохо, как на свежую рыбу). Типовые детекторы на основе Si (Li) имеют диаметр от 4 до 16 мм и используются в энергетическом диапазоне от 1 до 50 кэВ. Детекторы на основе Ge(Li) и 1G используют при работе с более высокими значениями энергии, от 10 кэВ до ЮМэВ. Хорошие детекторы на основе Si (Li) обладают разрешением 150 эВ при значении энергии 5,9 кэВ (2,5%, разрешение в 6-9 раз лучше, чем у пропорциональных счетчиков), германиевые детекторы обладают разрешением порядка 1,8 кэВ при значении энергии 1,3 МэВ (0,14%).

Для того чтобы проиллюстрировать, что дает такое высокое разрешение, мы бомбардировали лист нержавеющей стали протонами с энергией 2 МэВ и проанализировали полученный рентгеновский шектр. Это явление называют рентгеновской эмиссией за счет протонов, и оно является мощным средством анализа веществ, при котором используется взаимное расположение спектров элементов. На рис. 14.18

показан энергетический спектр (полученный с помощью анализатора ширины импульсов), каждому элементу соответствуют два видимых

I 10

10 2

1,17 Мэб

1,33 Мэ8

Naian

Dell

1.1 1Д 1.3

Энергия, Мэй

Рис. 14.19. Гамма-спектр кобальта-60, полученный с помощью сцинтиллятора на основе иодида натрия и детектора на основе Ge(Li). (Из брошюры Canberra Ge<Li) Detector Systems Brochure фирмы Canberra Industries, Inc., Meriden, CT, США).

рентгеновских импульса, по крайней мере при использовании детектора на основе Si (Li). На графике можно видеть железо, никель и хром.

Если нижнюю часть графика ук-g рупнить, то можно будет увидеть

- и другие элементы. При использовании пропорционального счетчика получается каша .

Рис. 14.19 иллюстрирует аналогичное положение для детекторов гамма-излучения. На этот раз сравниваются между собой сцинтилля-тор на основе Nal и датчик на осно ве Ge(Li). Этот график нам помогли получить коллеги из фирмы Canberra Industries. Выражаем благодарность мистеру Тенчу. Как и в предыдущем случае, преимущество в отношении разрешающей способности оказалось на стороне детекторов на твердом теле.

Детекторы на твердом теле обладают самым высоким энергетическим разрешением среди всех детекторов рентгеновского и гамма-излучения, но у них есть и недостатки: маленькая активная область в большом и неуклюжем корпусе (см., например, рис. 14.20), относительно невысокое быстродействие (время восстановления состав-

Рйс. 14.20. Криостат с датчиком Ge(Li). (Из брошюры Canberra Ge(Li) Detector Systems Brochure фирмы Canberra Industries, Inc., Meriden, CT, США).

ляет 50 мкс и более), высокая стоимость и, кроме того, для работы с ними нужно запастись большим терпением (но может быть вам и понравится нянчиться с пожирателем жидкого азота, кто знает).

Детекторы заряженных частиц. Детекторы, которые мы только что описали, предназначены для определения энерпш фотонов (рентгеновских и гамма-лучей), ноне элементарных частиц. Детекторы элементарных частиц имеют несколько иной облик; кроме того, заряженные частицы отклоняются электрическим и магнитным полями в соответствии с их зарядом, массой и энергией, благодаря чему измерять энергию заряженных частиц значительно проще.

Детекторы с поверхностным энергетическим барьером. Эти германиевые и кремниевые детекторы аналогичны детекторам из Ge(Li) и SI (Li). Однако их не требуется охлаждать, а это намного упрощает конструктивное оформление прибора. (А у вас появляется шанс получить свободное время!) Детекторы с поверхностным энергетическим барьером выпускают с диаметрами от 3 до 50 мм. Их используют в энергетическом диапазоне от 1 МзВ до сотен МэВ, они обладают разрешением от 0,3 до 1% при значении энергии альфа-частицы, равном 5,5 МэВ (распространенная энергетическая калибровка, которая обеспечивается при распаде америция-241).

Детекторы Черепкова. При очень высоких значениях энергии (1 ГэВ и выше) заряженная частица может опередить свет в материальной среде и вызвать излучение Черепкова, видимую ударную волну . Они находят широкое применение прн экспериментах в физике высоких энергий.

Ионизационные камеры. Классическую газонаполненную камеру, которую мы рассмотрели выше в связи с рентгеновским излучением можно использовать также в качестве детектора заряженных частиц. Простейшая ионизационная камера состоит из камеры, заполненной аргоном, и проходящего по всей ее длине провода. В зависимости от того, для работы с какими энергиями предназначена камера, ее длина может составлять от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров; в некоторых разновидностях' прибора используют не один, а несколько проводов или пластин и другие газы-наполнители.

Душевые камеры. Душевая камера является электроцным эквивалентом ионизационной камеры. Электрон попадает в камеру, заполненную жидким аргоном, и создает душ из заряженных частиц которые затем притягиваются к заряженным пластинам. Специалисты 6 области физики высоких энергий любят называть такие приборы калориметрами.

Сцинтилляционные камеры. Заряженную частицу можно обнару-JiKHTb с очень хорошим энергетическим разрешением с помощью фото-множителей по ультрафиолетовым вспышкам, которые возникают при деижении заряженной частицы в камере, заполненной жидким или Газообразным аргоном или ксеноном. Сцинтилляционные камеры обладают более высоким быстродействием по сравнению с ионизационными и душевыми камерами.

Ядерный магдаиый резоранс- Прим. ред.

Дрейфовые камеры. Это новейшее достижение в области физики высоких энергий, которое обусловлено успехами в области быстродействующих диалоговых вычислительных систем. Концепция их проста: камера, в которой под атмосферным давлением находится газ (обычно смесь аргона с этаном) и множество проводов с приложенным к ним напряжением. В камере действуют электрические поля, и когда в нее попадает заряженная частица, ионизирующая газ, ионы оказываются в сфере действия проводов. Отслеживаются амплитуды сигналов и моменты времени по всем проводам (вот здесь и приходит на помощь ЭВМ), и на основе этой информации строится траектория движения частицы. Если в камере действует еще магнитное поле, то можно также определить количество движения.

Дрейфовая камера завоевала положение универсального детектора заряженных частиц для физики высоких энергий. Она может обеспечить пространственное разрешение порядка 0,2 мм и выше для объемов, которые могут вместить даже вас.

14.08. Щупы, используемые в биологии и химии

Биологические и химические науки дают немало примеров любопытных измерений: электрохимические методы, в которых используются ионные электроды, электрофорез, вольтаметрия и полярографический анализ, а также хроматография, инфракрасная и визуальная спектроскопия, ЯМР^\ масс-спектроскопия, рентгеновская спектроскопия, ядерная квадратичная спектроскопия, электронная сканирующая микроскопия и др. Бесполезно пытаться в данной книге представить сколько-нибудь полный перечень этих сложных методов измерений. Более того, такая попытка лишь создаст впечатление, что эти методы не обладают фундаментальностью, присущей физическим измерениям, о которых шла речь выше в этой главе.

Для того чтобы дать представление о проблемах, возникающих при химических и биологических измерениях, опишем простейший вид. измерений; определение потенциалов, возникающих на микроэлектроде (используемом для изучения нервных и мускульных сигналов в биологических системах), на ионном электроде (используемом для измерения концентрации определенных ионов в растворе) и на электрохимическом щупе. Как обычно, приходится сталкиваться с некоторыми загадками, если стремиться к тому, чтобы измеряемые величины имели смысл.

Микроэлектроды. Для того чтобы определить напряжение на йервном окончании или в клетке, пользуются электродами с диаметром, равным всего лишь нескольким сотням ангстрем (1А=10~* см, что приблизительно равно размеру атома водорода). Оказывается, в качестве такого электрода можно использовать стеклянный капилляр, заполненный проводящим раствором. Получается очень хороший щуп, но возникает интересная проблема, связанная с тем^ что выходное

сопротивление электрода как источника сигнала составляет 100 ЛЮм и(шше. Внешние наводки, нагрузка схемой, высокочастотный спад характеристики, обусловленный наличием кабеля и паразитных емкостей, приводят к пагубным последствиям.

Для того чтобы рассмотреть сигналы в нервах или мускулах, желательно иметь хорошую характеристику в области высоких частот, по крайней мере для частот порядка нескольких килогерц (это, конечно, не совсем та высокая частота, о которой шла речь в гл. 13). Усилитель должен обладать очень высоким входным импедансом, желательно также, чтобы входной шум был у него небольшим. Кроме того, он должен быть нечувствителен к синфазным сигналам.

Подходящий вариант схемы представлен на рис. 14.21. Использование эталонного электрода, подключенного вблизи точки измерения, устраняет возможность того, что постороннее воздействие будет воспринято как нормальный дифференциальный сигнал. На входах, как можно ближе к микроэлектродам, включены буферные усилители, в качестве которых использованы интегральные операционные усилители HCi и ИСг со входами на полевых транзисторах и с низким уровне ! шума. Они также используются для задания следящей связи на экраны кабелей, чтобы уменьшить эффективную емкость кабеля. Обра1ите внимание, что основной экран снаружи еще дополнительно экранирован. Для того чтобы получить высокий входной импеданс и небольшой шумовой ток на входе, следует использовать усилители со входами на полевых транзисторах; типы интегральных схем, приведенные в примере, выбраны потому, что они обеспечивают небольшое шумовое напряжение на входе (максимальное значение 2 мкВ от пика до пика при частотах 0,1-10 Гц), обычно этот параметр создает трудности при работе с усилителями на полевых транзисторах и на полевых транзисторах с МОП-струкгурами. Пара прошедших через буферные усилители сигналов полается на стандартную схему дифференциального усилителя, построенною на основе ОУ с низким уровнем шума и с небольшим дрейфом; регулируемый стабильный сдвиг величиной 100 мВ обеспечивается HQ.

Итак, мы имеем усилитель со следующими параметрами: коэффициент усиления дифференциального сигнала равен 10, удовлетворительный уровень шума, хорошее подавление синфазного сигнала и малый входной ток (25 пА). Однако, несмотря на то, что емкость со стороны входа определяется входной емкостью буферов и микроэлектрода, схема имеет неудовлетворительное быстродействие. Например, при сопротивлении источника 100 МОм, работающего на емкость 20 пФ точке -3 дБ соответствует частота, равная всего лишь 80 Гц. Выйти из положения помогает активная компенсация, осуществляемая с помощью цепи положительной обратной связи, в которую входят ИСз и ИС4 и конденсаторы Ci и Са. На практике приходится регулировать коэффициент усиления по напряжению в усилителях ИСз и ИС для получения хорошей характеристики в области высоких частот вплоть до нескольких килогерц.

Измерительный электрод

Рис. 14.21. Микроэлектродный усилитель с компенсацией, защитой входов и эталонным каналом.

Ионные электроды. Классическим примером ионного электрода служит измеритель кислотности рН-метр, с помощью которого определяет напряжение между эталонным электродом и тонким пластинчатым электродом из стекла, через который могут проникать ионы водорода. Снова мы сталкиваемся с тем, что источник имеет очень большое сопротивление, правда, здесь проблемы не столь серьезны, как в случае с микроэлектродами, так как частотная характеристика в данном случае не играет такой важной роли.

Промышленность выпускает более 20 видов электродных систем, например, для анализа активности ионов К , Na+, CN , Hg++,

SCN , Вг , Cb, F , I , Ca++ или Си++. В общем в этих системах используют два электрода: эталонный электрод, обычно имеющий серебряное покрытие из хлорида серебра (он погружается в концентрированный раствор хлорида калия, который соединяется с исследуемым раствором с помощью пористого штыря или геля) и электрод, несущий определенный заряд. Последний обычно представляет собой электрод, погруженный в концентрированный раствор, содержащий интересующие вас ионы и отделенный от испытываемого раствора мембраной, которая может пропускать только исследуемые ионы. Мембраной обычно служит специальное стекло, избирательно пропускающее те или иные ионы, или органическая жидкость, содержащая подвижные органические молекулы, способные перемещать ионы. Задача состоит в том, чтобы измерить напряжение в диапазоне от О до 2 В с точностью до милливольт, при этом величина тока не должна превышать 100 пА. Положение дел осложняется тем, что величина температурного коэф- фициента напряжения достигает нескольких процентов при изменении ; температуры на один градус (по шкале Цельсия). Можно попытаться [ устранить влияние температуры, если использовать компенсационную I схему с тер^истором. Для того чтобы перейти от измеренной ионной I активности к значениям концентрации, необходимо обратить внимание i на общую ионную силу образца и на чувствительность заряженного I электрода к другим ионам, присутствующим в растворе. Во всяком случае, любой химик подтвердит, что более качественные результаты f можно получить лишь в том случае, если перед началом и по завер- дненни измерений выполнить калибровку на каком-нибудь стандартном р растворе. Если выполнять измерения тщательно, то можно анализи-I ровать концентрации величиной 0,1 миллионной доли и получать при измерениях точность порядка 1 % в растворах умеренной концен-t трацин.

ш Электрохимические измерения. В области электрохимии вы- полняют аналитические измерения концентрации определенных ионов путем измерения токов в электродах (скорости реакции) относительно приложенного к раствору напряжения. Изменяя приложенное напряжение, вы задаете среди прочих такие потенциалы, при которых Возникает определенная реакция, при этом возникают скачки и пики сигнала. Методы подобных аналитических измерений определяются

такими терминами, как циклическая вольтаметрия, полярография, анодная вольтаметрия (ASV). Одним из наиболее чувствительных является метод ASV, в котором используется ртутный капельный электрод. На этот обновляемый электрод на некоторое время подается относительно высокий потенциал, затем направление тока меняется на противоположное, и производится последовательное выделение отдельных элементов. Этот метод позволяет обнаруживать такие элементы, как свинец и кадмий в концентрациях порядка 10~®, и его следует рассматривать наравне с другими методами обнаружения элементов, такими, как нейтронная активация спектроскопия пламени, рентгеновские и ионные микроизмерения.

Метод, при котором измеряется небольшой ток, в то время как в системе поддерживается фиксированное напряжение, называют фиксацией напряжения . Он находит применение в исследованиях нервной и клеточной физиологии. Мембраны нервных окончаний (аксонов) имеют каналы, чувствительные к напряжению, через которые происходит диффузия определенных ионов. Физиологи измеряют напряжения, при которых открьюаются эти каналы. Для этого используют метод фиксации напряжения и микроэлектроды.

При работе с электрохимическими препаратами используют такой же метод измерений, но токи измеряют не в микроамперах, а в ампе-

Электрод СЧетмипа

Рабочий злекгрод

pax. Здесь также задача состоит в том, чтобы вызвать определенную реакцию и получить ее продукт с помощью приложенного к системе, напряжения.

На рис. 14.22 показана простая схема стабилизатора напряжения (или схема фиксации напряжения). Электролитическая ячейка состоит из электрода для инжекции тока (электрода-счетчика), общего электрода (рабочего электрода) и небольшого щупа для измерения напряжения в растворе вблизи рабочего электрода (эталонный электрод). Схема MCi поддерживает напряжение между эталонным и рабочим электродами равным и^т- за счет соответствующего изменения тока в электроде счетчика (при измерениях потенциала мембраны два верхних электрода должны находиться внутри клетки а рабочий электрод -

AD544

Рис, 14.22. Схема электрохимических измерений (фиксатор напряжения).

Нейтронно-активационный анализ производится путем помещения образцов в реактор и их облученид там нейтронами,- Прим. ред.

вне ее). Схема ИСа поддерживает на рабочем электроде потенциал мнимого заземления и преобразует ток в выходное напряжение. Диапазон напряж^!ий составляет обычно ±1 В; в аналитических измерениях диапазон токов определяется значениями 1 нА и 1 мА, для электрохимических препаратов диапазон определяется значениями 1 мА и 10 А.

Для того чтобы можно было производить сканирование, напряжение и^т. должно формироваться генератором пилообразного напряжения. При слаботочных измерениях в мембранах следует тщательно экранировать входные провода, для получения определенной частотной характеристики рекомендуется также организовывать положительную обратную связь с помощью конденсатора подобно тому, как это было сделарю в схеме на рис. 14.21.

ЭТАЛОНЫ точных ВЕЛИЧИН и ПРЕЦИЗИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

В гл. 7 мы познакомили вас с приемами, которыми пользуются в точных приборах для обеспечения малых сдвигов и небольшого дрейфа, например, при усилении очень малых напряжений. Там мы коснулись только аналоговой электроники, вопросов усиления постоянно изменяющихся напряжений и токов. По ряду причин оказывается, что цифровые измерения таких величин, как частота, период, временной интервал, дают значительно более высокую точность, чем аналоговые измерения. В последующих разделах мы рассмотрим точность принятых в электронике эталонов (таких величин, как время, напряжение, - сопротивление), и вы узнаете, как производить измерения с высокой точностью, используя эти эталоны. Основное внимание при обсуждении будет уделено вопросам измерения времени/частоты, так как в этих

измерениях точность имеет наибольшее значение, а также потому, что ; аналоговые схемы мы уже рассмотрели более или менее подробно в

; гл. 7.

14.09. Эталоны частоты

. Посмотрим, как можно получить стабильный эталон частоты, каким J образом задать частоту и как ее поддерживать.

Кварцевые генераторы. Ранее в разд. 4.11-4.16 мы упоминали \ о том, какую стабильность может обеспечить эталон частоты, начиная от простейшего релаксационного /?С-генератора и кончая атомным ; эталоном на основе рубидия или цезия. Для любой более или менее серьезной времязадающей схемы нужно использовать устройство, не менее стабильное, чем кварцевый генератор. К счастью, среди

К&арцевых генераторов есть очень недорогие, а их точность оиределя-> тся миллионными долями. Например, за 50 долл. можно приобрести . хороший кварцевый генератор с температурной компенсацией, стабиль-

Hocfb которого определяется отношением I ; 10* при изменении темпе-\ ратуры от О до 50°С. При более высоких требованиях следует исполь-

Имеется в виду фазовая автоподстройка частоты,- Прим ред^

зовать термостатированные кристаллы, стоимость таких генераторов колеблется от пары сотен долларов до 1000 долл. Если вас интересует стабильность, оцениваемая миллиардными долями, то следует побеспокоиться о таком параметре, как старение , которым определяется тенденция кварцевого генератора к дрейфу частоты с более или менее постоянной скоростью с момента начала эксплуатации прибора. Генераторы серии 10544, выпускаемые фирмой Hewlett - Packard, представляют собой стандартные генераторные модули без источников питания, стабильность которых определяется отношением 1 : 100-10* в полном температурном интервале, а скорость старения - отношением 0,5 10* за день.

Некомпенсированные кварцевые генераторы и даже кварцевые генераторы с температурной компенсацией представляют собой лишь логические блоки небольших приборов. Более совершенные генераторы на термостатированных кристаллах кварца, как правило, представляют собой самостоятельные приборы.

Атомные эталоны, В настоящее время используют три атомных эталона рубидий, цезий и водород. Рубидий поглощает микроволновые колебания на частоте 6 834 682 608 Гц, цезий - на частоте 9 192 631 770 Гц, а водород - на частоте 1 420 405 751 768 Гц. Эталон частоты на основе одного из перечисленных атомов представляет собой гораздо более сложное и дорогое устройство, чем хороший кварцевый генератор.

Рубидиевый эталон. Эталон на основе рубидия представляет собой стеклянную колбу, заполненную парами рубидия. Ее нагревают и помещают в микроволновую камеру со стеклянными окошками на торцах. Камера просвечивается рубидиевой лампой, свет, прошедший через камеру, фиксирует фотоэлемент. Одновременно на камеру подается модулированный микроволновый сигнал, полученный с помощью стабильного кварцевого генератора. Используя для обнаружения переданной световой энергии метод захвата (см. разд. 14.15), можно точно совместить микроволновый сигнал с резонансной частотой рубидия, так как оптическое поглощение газа рубидия изменяется на резонансной частоте. Частота кварца связана с резонансной частотой рубидия определенным соотношением, и таким образом хенернруется эталонная частота, например 10 МГц. (На самом деле есть Е1екоторые сложности, на которых мы не будем заострять внимание.)

Эталоны частоты на основе рубидия обладают большей стабильностью, чем кварцевые генераторы с термостатированным кристаллом, правда, им присущ один недостаток - старение. Имеющиеся в продаже устройства обладают стабильностью порядка 1 : 10 в полном температурном интервале, а старение для них определяется отношением 1 ; 10 за месяц Рубидиевые эталоны используются в лабораторных условиях, вы можете встретить их в обсерваториях и других ме-